В настоящее время кевлар стал привычным компонентом одежды и экипировки людей, чья жизнь постоянно подвергается опасности: военных и силовиков, космонавтов и исследователей, спортсменов и пожарных. Кевларовые волокна используют везде, где требуется повышенная прочность, начиная от автомобильных шин и заканчивая корпусами яхт, область их применения постоянно расширяется, а технология получения — усовершенствуется.
Многие называют все высокопрочные синтетические тросы кевларовыми, независимо от того, из какого материала они сделаны. Почему это происходит понятно, по той же причине, по которой все подгузники называют памперсами, копировальные аппараты ксероксами, а автомобили повышенной проходимости — джипами. Просто наиболее распространенное название одной из торговых марок постепенно становилось нарицательным.
Кевлар — это торговое название материала арамид, который представляет собой синтетическое волокно, обладающее высокой механической и термической стойкостью.
Кевла́р (англ. Kevlar) — пара-арамидное волокно (полипарафенилен-терефталамид), выпускаемое фирмой DuPont.
История кевлара
Этот материал был получен полвека тому назад, и многим покажется странным, что его автором стала женщина.
Символично, что изобретательница этого уникального волокна Стефани Кволек в детстве любила шить одежду для кукол. После школы она получила специальность химика в университете Карнегги, но мечтала о медицине. Чтобы заработать средства для обучения в университете, в 1946 году девушка стала работать в знаменитом концерне DuPont, и вскоре поняла, что ее призвание — все-таки химия.
История изобретения
Как часто бывает, открытие произошло случайно. В 1964 году Кволек решала вполне конкретную задачу — пыталась создать прочное волокно, которое заменит тяжелый стальной корд в шинах.
Кевлар — полимер, существующий только и исключительно в форме волокна, — результат почти случайного открытия, сделанного в одной из лабораторий фирмы DuPont. Ведущий исследователь Стефани Кволек почему-то решила вытянуть волокно из раствора, который по всем внешним признакам для этого не подходил. Но женская интуиция победила 25-летний опыт исследователя, потому что выяснилось, что в процессе вытягивания полимер полностью реорганизовался, цепочки молекул вытянулись вдоль направления волокон и намертво сцепились между собой.
При производстве полимеров, волокна полимера обычно производят путем прядения при выдавливании жидкого расплава через мелкие отверстия — фильеры. Но полиарамид тяжело плавится, отчего было решено применить прядение из раствора. В конце концов Кволек удалось подобрать необходимый растворитель, однако раствор был мутным и жидким, а не прозрачным и густым, и на первый взгляд напоминал самогон.
Инженер-прядильщик решительно отказался заливать непонятный раствор в машину боясь засорить тонкие фильеры. Кволек с большим трудом убедила его попробовать вытянуть прядь из такого раствора. К общему удивлению, нить легко вытягивалась и была необыкновенно прочной. Полученную нить отправили на тестирование.
После того как Стефани увидела полученные результаты, сначала она подумала что прибор сломался — настолько высокими были цифры.
«Я была не уверена в результатах тестов, поэтому не сказала о них никому, чтобы не смущаться за допущенную ошибку», — вспоминает Стефани Кволек.
Изобретательница несколько раз возвращала волокна на тестирование, чтобы убедиться в достоверности результатов. Но первоначальные цифры не изменились, тесты оказались верными. Тогда она объявила о своем открытии, а в компании DuPont поняли, что речь идет о волокнах с большим потенциалом применения.
Совершенно новый материал, новый полимер — кевлар, был выпущен на рынок в 1975 году. Сегодня он производится и применяется практически всюду: его используют для изготовления тросов, кузова автомобилей и катеров, изготовления паруса, фюзеляжа самолетов и деталей космических кораблей, теннисных ракеток. Но тем, что кевлар это основа для пуленепробиваемых жилетов для полиции и костюмов пожарных, инженер-химик Стефани Кволек гордится больше всего. Производство полимеров пережило поистине триумфальную революцию — открытие кевлара очень важный шаг в мире полимеров.
Его плотность (1,44 г/см3) меньше, чем у стали (7,80 г/см3), но при равном весе образцов, кевлар прочнее на разрыв в пять раз. Дополнительное взаимодействие между ароматическими кольцами в разных штабелях еще больше упрочняет полимер. Вот почему он разлагается лишь при очень высокой температуре 427–482°С.
Так как название «кевлар» — это торговое название, далее будем оперировать термином «арамид».
Свойства арамидных волокон:
- при контакте с огнем и высокими температурами это волокно не горит, не дымится и не плавится;
- арамид не токсичен и не взрывоопасен;
- температура его терморазложения составляет 430–450 градусов;
- прочность арамидных волокон начинает постепенно снижаться при нагреве более 150 градусов;
- при замерзании арамид становится только прочнее, он способен выдерживать криогенные температуры (до -200 градусов);
- этот материал является электроизолятором.
К тому же ткань из арамида отличается мягкостью, гигроскопичностью и способностью к воздухообмену, и вполне комфортна при использовании. Правда, это не относится к одежде, предназначенной для работы в условиях открытого огня и высоких температур. Для повышения термостойкости арамид покрывают алюминием. Материал из такого волокна надежно защищает от мощного теплового излучения, контакта с раскаленными до 500 градусов поверхностями, а также от брызг раскаленного металла.
Следует также добавить, что этот материал довольно легок — один метр ткани весит 30–60 г, и хотя он не дешев, его прекрасные защитные свойства вполне оправдывают такие расходы. Несколько дешевле стоят защитные материалы, армированные арамидными нитями, что придает им стойкость к разрыву и абразивному истиранию. Такие ткани используют для защитных вставок в рабочей и спортивной одежде, перчаток, а также в качестве износостойких стелек.
Конечно, у арамида есть и слабое место — он хуже сопротивляется сжатию. Прочность его на сжатие в десять раз меньше, чем на разрыв. Поэтому арамид не годится на роль строительного материала. Но у него много работы в других отраслях: бронежилеты, корд для шин, панели и крылья в истребителях, бензиновые цистерны для болидов «Формулы-1», суда и яхты. На прочных канатах и тросах из арамида, которые к тому же не ржавеют, подвешивают мосты. Из него делают огнестойкие и прочные одежду и перчатки для пожарных. И это далеко не полный перечень.
Сферы применения
Свое применение арамид находит в тех отраслях, где крайне важны стойкость к износу и термическая стабильность, низкая структурная жесткость и максимальная легкость, а также отличная прочность при низком весе. Поэтому неудивительно, что этот материал пришелся «ко двору» при изготовлении средств индивидуальной защиты, в частности бронежилетов, шлемов.
Арамид — защита с комфортом
На сегодняшний день изготавливается различная одежда из арамида, предназначенная не только для военнослужащих и различных спецподразделений, но и для тех, кто выбирает ультраактивный образ жизни и помешан на той же охоте или страйкболе. Конечно, страйкболисту ни к чему арамидная броня с высоким уровнем защиты и дополнительными бронепластинами, а вот футболка со специальными арамидными вставками будет весьма уместной. К тому же, такие элементы легко скрыть под верхней одеждой, да и подходящие по дизайну модели разработаны.
Пожалуй, наиболее популярными изделиями из арамида можно считать бронешлемы, тактические перчатки и, конечно же, бронежилеты. Кстати, именно из этой ткани и изготавливают средства пассивной защиты, принятые на вооружение в НАТО.
Защита на руки
Тактические перчатки с арамидом в виде защитных вставок на ладонях и костяшках позволяют значительно усилить удар, сделав его сокрушающим. Если учитывать прочность, теплоту и устойчивость к влаге и повреждениям, такие аксессуары в последнее время популярны не только у сотрудников специализированных подразделений, но и у экстремалов, уличных бойцов, любителей активного образа жизни.
Остановит ли арамид и пулю, и штык?
Бронежилет из арамида по праву считается одним из наиболее надежных средств индивидуальной пассивной защиты. Благодаря своей уникальной легкости, прочности и относительной долговечности такая «броня» способна защитить владельца от скользящих ударов холодного оружия и смягчить последствия попадания пуль, препятствуя проникновению и распространению осколков. Выбирая бронежилет, в основе которого используется данный полимер, следует учесть некоторые нюансы, которыми он наделен. Арамид — это мягкая броня, которая не спасет от выстрела в упор или проникающего удара ножом или шилом, поэтому разработаны модели со специальными жесткими панелями, призванными дополнительно амортизировать удар.
У всех своим минусы
Недостаткам арамида можно отнести светочувствительность — при длительном пребывании под солнечными лучами чудо-материал начинает разрушаться, хоть и очень-очень медленно. Оптимальным средством предохранения стало вшивание элементов с арамидными нитями в более плотную ткань.
Цена на изделия с параамидными нитями достаточно высока, поэтому оснащать армию тактическими изделиями из данного материала могут себе позволить только развитые в экономическом плане страны.
Судостроение
В последнее десятилетие кевлар получил распространение в судостроении. Из-за технологических сложностей и цены на арамид, его применяют выборочно. Например, только в килевой части или по швам. Многие производители (такие, как верфи BAIA Yachts, Blue water, Danish yacht, Zeelander Yachts), делая в год не очень большое количество яхт, планомерно переходят на использование арамида. Лидером в производстве яхт из арамида считается Итальянская верфь Cranchi, которая производит яхты размером от 11 до 21 метра.
Авиационная промышленность
Кевлар применяется в конструкции ряда беспилотных летательных аппаратов (например, RQ-11) для повышения защиты. Из вышеперечисленных областей применения арамида следует, что арамид известен далеко не только благодаря средствам индивидуальной бронезащиты, применяемым военными и службами охраны правопорядка. Уникальная комбинация свойств делает арамид идеальным решением для большого и постоянно увеличивающегося количества областей применения, в которых уменьшение веса, увеличение прочности и коррозионная стойкость значительно повышают уровень эффективности и безопасности. Сегодня арамид используется повсеместно: от авиационных комплектующих до усиленных конструкций подвесных мостов, от тросов подвесных мостов до оптоволоконных кабелей, не говоря уже о большом количестве потребительских товаров.
Спортивный инвентарь
Кевлар используется в качестве внутренней обкладки для некоторых велосипедных шин, что ведет к предотвращению проколов. В Кюдо — японское искусство стрельбы из лука — волокна кевлара могут использоваться при создании тетивы. В данном случае материал выступает в качестве альтернативы более дорогим волокнам конопли. Этот материал наиболее часто используется при создании несущих тросов для парапланов. В фехтовании он используется для создания защитных курток, брюк, нагрудников и элементов масок. Теннисные ракетки зачастую также содержат элементы из кевлара. Кевлар все чаще используется в «пето» — мягком покрытии, которое защищает лошадей пикадоров на арене.
Защитный костюм фехтовальщика состоит из куртки и брюк по колено на подтяжках, сделанных из облегченного кевлара.
Звуковое оборудование
Также было установлено, что кевлар имеет полезные акустические свойства. В настоящее время ткани на его основе применяются при создании диффузоров акустических динамиков (низких и средних частот). Кроме того, кевлар используется в качестве силового элемента в волоконно-оптических кабелях, таких как те, которые используются для передачи аудио данных.
Струны
Кевлар можно использовать в качестве акустического ядра в струнах для струнных инструментов. Физические свойства кевлара придают струнам прочность, гибкость и стабильность. На сегодняшний день единственным производителем этого вида струн является компания CodaBow.
Барабаны
Иногда кевлар используется в качестве материала для маршевых малых барабанов (со струнами вдоль нижней мембраны). Его использование позволяет добиться очень высокого натяжения, в результате чего на выходе имеем довольно чистый звук. Как правило, кевлар покрывают слоем смолы для герметичности, а поверх добавляется слой нейлона, чтобы обеспечить плоскую ударную поверхность.
Для справки:
Разработал арамидные материалы химик из Америки компании DuPont в 1964 году. Первичное название волокна — кевлар. Создали его в роли укрепляющего компонента для различных композитных материалов. Им армировали кабельную продукцию, создавали автомобильные шины и кордовые нити. И эта же фирма — ведущий современный производитель арамидов на мировом рынке.
Похожий по структуре материал был изобретен и в СССР. Его название — СВМ (сверхпрочный материал). Промышленное производство началось с 1970 г.
Производство обоих типов волокон было дорогостоящим. Поэтому редко применялось в больших масштабах. Ситуация изменилась только в 1985 году. В этот период в СССР изобрели второе поколение тварона — нити армос и русар. Их особенность — применение технологии мокро-сухой формовки, которая позволила превзойти кевлар по физическим характеристикам.
К основным современным видам армидных волокон относят кевлар, СВМ, тварон, номекс, кермель, арселон.
Автор: Ольга Гладунова; Первоисточник: Журнал «Композитный мир»
